Løbende kakerlakker, flagrende møl skaber en ny fysik af organismer

Sandsvømmende firben, glidende robotslanger, skumringsflyvende møl og løbende kakerlakker har alle én ting til fælles:De bliver i stigende grad studeret af fysikere, der er interesseret i at forstå de fælles strategier, som disse væsner har udviklet for at overvinde udfordringerne ved at bevæge sig gennem deres omgivelser.

Ved at analysere reglerne for disse væseners bevægelse, "fysik af levende systemer"-forskere er ved at lære, hvordan dyr med succes kan klare ustabile overflader som vådt sand, opretholde hurtig bevægelse på flade overflader ved hjælp af den fordelagtige mekanik i deres kroppe, og flyve på måder, der aldrig ville fungere for moderne fly. Den viden, som disse forskere udvikler, kan være nyttig for designere af robotter og flyvende køretøjer af enhver art.

"Bevægelse er et meget naturligt adgangspunkt til at forstå, hvordan biologiske systemer interagerer med verden, " sagde Simon Sponberg, en assisterende professor ved School of Physics og School of Biological Sciences ved Georgia Institute of Technology. "Når de flytter, dyr ændrer miljøet omkring dem, så de kan skubbe sig væk fra det og bevæge sig igennem det på forskellige måder. Denne evne er et afgørende træk ved dyr."

Sponberg har brugt sin karriere på at bygge bro mellem fysik og organismebiologi - studiet af komplekse skabninger. Hans arbejde omfatter at studere, hvordan høgmøl bremser deres nervesystem for at bevare synet under dårlige lysforhold, og hvordan muskler er et alsidigt materiale, der kan ændre funktion fra en bremse til en motor eller fjeder.

Han har for nylig offentliggjort en kronik, forsidehistorien til septemberudgaven af ​​magasinet American Institute of Physics Fysik i dag , om fysikkens rolle i dyrenes bevægelse. Artiklen var ikke tænkt som en gennemgang af hele feltet, men snarere for at vise, hvordan organismefysik – der integrerer komplekse fysiologiske systemer, mekanikken og det omgivende miljø til et helt dyr - har inspireret hans karriere.

"Skæringspunktet mellem fysik og organismebiologi er meget spændende lige nu, " sagde Sponberg. "Samlingen og interaktionen af ​​flere naturlige komponenter manifesterer ny adfærd og dynamik. Samlingen af ​​disse naturlige komponenter viser andre mønstre end de enkelte dele, og det er fascinerende."

Støttet af nye initiativer hos sådanne organisationer som Army Research Office og National Science Foundation - som omfavner disse grænser - lærer Georgia Tech-forskere ligningerne, der dikterer, hvordan slanger bevæger sig, at forstå, hvordan hårafstanden på biernes kroppe hjælper dem med at forblive rene, og bruge røntgenudstyr til at se, hvordan en usædvanlig afrikansk firben "svømmer" gennem tørt sand.

"Det er en virkelig spændende tid at arbejde i skæringspunktet mellem evolutionær organismebiologi, der er realiseret i disse levende systemer, der er opstået gennem evolutionsprocessen, sammensat af tilsyneladende meget komplekse systemer, " sagde han. "Biologiske systemer er uundgåeligt komplekse, men det betyder ikke, at der ikke er simple adfærdsmønstre, som vi kan forstå. Vi har nu de moderne værktøjer, tilgange og teorier om, at vi skal være i stand til at udvinde fysiske mønstre fra biologiske systemer."

I sin artikel, Sponberg kommer med forudsigelser om den forskning, der vil være nødvendig for, at fysikken i levende systemer kan udvikle sig som et felt:

• Hvordan feedback transformerer fysiologisk dynamik,
• Hvordan aggregering af levende komponenter, fra mennesker til myrer til molekylære motorer, opstår på flere skalaer, og
• Hvordan robo-fysiske modeller af disse komplekse systemer kan føre til nye opdagelser og avanceret teknik.

Konstruerede systemer bruger feedback om virkningerne af deres handlinger til at justere deres fremtidige aktiviteter, og dyr gør det samme for at kontrollere deres bevægelser. Forskere kan manipulere denne feedback for at forstå, hvordan komplekse systemer er sat sammen og bruge feedbacken til at designe eksperimenter i stedet for blot at analysere, hvad der er der.

"Vi bruger hele tiden feedback til at bevæge os gennem vores miljø, og feedback er en virkelig speciel ting, der grundlæggende påvirker, hvordan dynamikken opstår, " sagde Sponberg. "Men at bruge feedback til at designe eksperimenter er virkelig noget nyt."

For eksempel, i undersøgelsen af, hvordan høgmøl sporer blomster under dårlige lysforhold, han og hans kolleger brugte feedback-dynamik til at isolere, hvordan møllens hjerne justerer sin behandling i svagt lys. Mølene kan stadig nøjagtigt spore blomsterbevægelser, der forekommer mindre end to gange i sekundet - hvilket svarer til den frekvens, hvormed blomsterne svajer i vinden.

Dyr er sammensat af mange systemer, der opererer på flere tidsskalaer samtidigt - hjerneneuroner, nerver og de enkelte fibre i muskler med molekylære motorer. Disse muskelfibre er arrangeret i et aktivt krystallinsk gitter, således at røntgenstråler affyret gennem dem skaber et regulært diffraktionsmønster. At forstå disse multiskala levende samlinger giver ny indsigt i, hvordan dyr håndterer komplekse handlinger.

Endelig, Sponberg bemærker i sin artikel, at robotter spiller en større og større rolle i fysiklaboratoriet som funktionelle modeller, der kan undersøge principper for bevægelse ved at interagere med den virkelige verden. I laboratoriet hos Georgia Tech lektor Dan Goldman - en af ​​Sponbergs kolleger - robotslanger, skildpadder, krabber og andre væsner hjælper videnskabsmænd med at forstå, hvad de observerer i den naturlige verden.

"Bevægelse af fysiske modeller - robotter - kan være meget kraftfulde værktøjer til at forstå disse komplekse systemer, " sagde Sponberg. "De kan tillade os at lave eksperimenter på robotter, som vi ikke kunne gøre på dyr for at se, hvordan de interagerer med komplekse miljøer. Vi kan se, hvilken fysik i disse systemer er afgørende for deres adfærd."

Sponberg blev inspireret til at studere samspillet mellem organismebiologi og fysik af den bemærkelsesværdige mangfoldighed af dyrebevægelser og af ikke-lineær dynamik, et felt, der blev populært, da han var en ung studerende af bestsellerbogen Chaos:Making a New Science fra 1987, forfattet af den tidligere New York Times-reporter James Gleick. Sponberg håber nutidens elever - læsere af Fysik i dag - vil også blive inspireret.

"Jeg stemte om dette med mit karrierevalg, så jeg synes, det er et meget spændende videnskabsområde, " han tilføjede.